Využití odpadního tepla při chlazení zimních stadionů

Úvod

V ČR je v současné době v provozu 161 zimních stadiónů. Vesměs byly vybudovány v období 60. až 80. let minulého století. Během uplynulého desetiletí začala probíhat jejich částečná, místy, především v klubech s vrcholovým zázemím, jejich úplná rekonstrukce. Některé byly nově zastřešeny, avšak většina provozů, máme na mysli chlazení a ledovou plochu, zůstala nedotčena. Některé doslova v havarijním stavu a to i s klasickým čpavkovým hospodářstvím, jež může v případě havárie napáchat škody na zdraví obyvatel žijících v bezprostřední blízkosti.

Požadavek na rekonstrukci zimních stadionů a následné provozování s co možná nejnižšími náklady mohou vést k využití energetického potenciálu, který se přímo z jejich technologie (principu) nabízí využít. Současné stadióny, ať už se jedná o nově vybudované nebo o rekonstruované, zastávají funkci nejenom sportovní, ale stávají se i jakýmisi společenskými centry s celoročním využitím.

Popis technologií

Chlazení ledových ploch u zimních stadiónů je v naprosté většině zajišťováno pomocí strojního kompresorového chlazení, jež pracuje dle principu obráceného Rankinova tepelného cyklu.

Nejčastěji používanou pracovní látkou (chladivem) je čpavek NH₃, který se řadí k ekologicky nejšetrnějším chladivům. Pro lidský organismus je však jedovatý, při kontaktu s lidskou tkání hrozí riziko omrznutí a při koncentracích ve vzduchu větších než 15% je dokonce výbušný. V zásadě se dnes uplatňují dvě koncepce strojního chlazení ledových ploch zimních stadiónů.

První koncepcí je tzv. systém přímého chlazení, kdy chladivo nejčastěji čpavek NH₃ je rozveden potrubím přímo v ledové ploše. Ledová plocha pak vlastně tvoří výparník chladicího zařízení, někdy je proto tento systém nazýván systémem s přímým výparníkem. Tato koncepce je dnes již minimálně používána a našli bychom ji převážně u dožívajících zařízeních, případně tam, kde při rekonstrukci technologie chlazení zůstala zachována původní ledová plocha. Nevýhodou je vyjma velkého množství chladiva-čpavku, především možnost jeho úniku do prostor, kde se vyskytuje velké množství lidí. V těchto prostorech potom musí být zajištěno dostatečné větrání pro případ úniku čpavku. Výhodou je jednoduchost a s tím související i vyšší účinnost chladicího systému.

Druhou koncepcí je tzv. systém nepřímého chlazení, kdy chladivo, opět nejčastěji čpavek, je použito pouze v primárním okruhu vlastního kompresorového chlazení, jež je umístěno ve strojovně. Chlazení vlastní ledové plochy je pak zajištěno průtokem nemrznoucí kapaliny (roztokem ethylen-glykolu) v sekundárním okruhu. Potřebné množství chladiva-čpavku je v tomto případě zhruba poloviční než u systému přímého chlazení. Strojovna chlazení musí být vybavena systémem havarijní ventilace a svým provedením musí splňovat náležitosti dle souvisejících norem a předpisů.

Odpadní teplo lze získat u obou koncepcí především z přehřátých par (chlazení hlav válců pístových kompresorů) a z kondenzačního tepla chladiva-čpavku. Takto získané teplo je buď přímo využito nebo dále převedeno systémem zpětného získávání tepla (ZZT) na vyšší teplotní úroveň a poté využito dle potřeb provozovatele zimního stadiónu. Vlastní systém ZZT je tvořen tepelným čerpadlem, které u sofistikovaných systémů může pracovat i ve funkci chlazení pro potřeby klimatizace hokejové haly. Pro vyrovnání výkonových výkyvů bývá mezi okruhem vlastního strojního kompresorového chlazení a okruhem ZZT zařazena vhodně dimenzovaná akumulační nádrž. Pro případ, že není zajištěn dostatečný odběr tepla systémem ZZT, je v okruhu strojního kompresorového chlazení zařazen kondenzátor, přes který může chladivo NH₃ zkondenzovat.

Teplo získané systémem ZZT z technologie chlazení ledové plochy je pak možno využít při vlastním provozu ledové plochy např. při rozpouštění ledu ve sněžné jámě nebo při temperování podloží ledové plochy (použité u moderních konstrukcí ledových ploch) z důvodu zajištění ustáleného tepelného toku mezi podložím a podkladním betonem ledové plochy. Dále se nabízí využití tepla pro vytápění a přípravu TUV vlastního zimního stadiónu a přidružených objektů v případě multifunkčních center.

Obr.1 Schéma systému nepřímého chlazení ledové plochy

Realizace

Existuje samozřejmě více možných způsobů zapojení jednotlivých okruhů, jež závisí na konkrétní potřebě tepla a jeho parametrech při provozu zimního stadiónu.

Jak taková realizace může vypadat a jaké přináší úspory je možno demonstrovat na následujícím případu rekonstrukce zimního stadiónu ve Vrchlabí, kde byl instalován systém využití odpadního tepla z technologie chlazení ledové plochy. Je zde použit systém nepřímého chlazení ledové plochy, kdy primárním chladicím okruhem NH₃ je vychlazován 35% roztok etanolu, který chladí ledovou plochu. Druhým stupněm je vlastní tepelné čerpadlo pracující s chladivem R 134 A, které je s primárním chladicím okruhem spojeno okruhem technologické vody.

Teplo získané z tohoto systému je využito pro následující účely:

• ohřev vody pro rolbu, při kterém je využito teplo z přehřátých čpavkových par primárního chladicího okruhu pomocí chladiče čpavek/voda zařazeného na výstupu kompresoru, případně je využita topná voda 50/55 °C ohřátá kondenzačním teplem tepelného čerpadla druhého stupně
• rozpouštění ledové tříště z hrací plochy ve sněžné jámě, kde se využívá kondenzačního tepla čpavku primárního chladicího okruhu
• ohřev technologické vody v akumulační nádrži na teplotu cca 25 °C, která slouží jako zdroj tepla pro výparník tepelného čerpadla druhého stupně. K ohřevu této vody je opět využito teplo z kondenzátoru primárního chladicího okruhu a částečné i teplo z přehřátých par čpavku nevyužité k ohřevu vody pro rolbu.
• klimatizaci hokejové haly a vysušování dřevěné konstrukce střechy z důvodu zamezení srážení vlhkosti. Podle režimu provozu je využito buď teplo z okruhu technologické vody nebo topné vody 50/55 °C ohřáté tepelným čerpadlem ve druhém stupni.
• vytápění šaten a předehřev TUV, při kterém je využito kondenzační teplo z tepelného čerpadla druhého stupně

Pro případ nedostatečného odběru tepla z primárního chladicího okruhu NH₃, jsou v tomto okruhu paralelně zapojeny i vzduchové kondenzátory. Převládajícím zdrojem nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo druhého stupně je technologická voda o teplotě 25 °C, v případě, kdy je potřeba odvést přebytečnou vlhkost z vnitřního vzduchu, je zdrojem nízkopotenciálního tepla právě vychlazovaný vzduch.

Jak je patrno z výše uvedeného popisu, tepelný potenciál ať už na straně získání nebo na straně uplatnění je rozmanitý, jde jen o jeho vhodné využití.

Na základě měření provedených na celém systému byla zjištěna úspora tepelné energie cca 1500 GJ/rok, což při uvážení stále stoupajících cen za energii není zanedbatelná velikost. Je však nutno podotknout, že současně došlo k nárůstu spotřeby elektrické energie o zhruba 75 MWh/rok oproti předchozímu stavu. Nárůst spotřeby elektrické energie je způsoben zejména instalací tepelného čerpadla druhého stupně, konkrétně pak elektrickým příkonem pro pohon kompresorů a oběhových čerpadel.

Z obdobných instalací, kde je využito odpadní teplo z chlazení ledové plochy, stojí za připomenutí např. TIPSPORT aréna v Liberci, Sazka Aréna v Praze, ale i méně známé jako např. Zimní stadión v Táboře či v Novém Jičíně.

Obr.2 Kompresory primárního chladicího okruhu čpavku (ilustrativní foto ZS Nový Jičín)

Obr.3 Kompresory druhého stupně - vlastního tepelného čerpadla (ilustrativní foto ZS Nový Jičín)

Potenciál energetických úspor se pak u rekonstruovaných zimních stadiónů pohybuje v závislosti na velikosti instalované technologie a možnostech využití od cca 1500 GJ/rok až do zhruba 7000 GJ/rok.